应用LMX2370设计双锁相环频率合成器

2006-05-07 15:50:20来源: 电子技术应用

1 LMX2370简介

LMX2370是美国国家半导体公司新推出的高性能、低功耗、双锁相环芯片,其主要特点有:宽工作电压2.7~5.5V;超低功耗(6mA);低相位噪声层;双模前置分频比可编程(主环P=32/33或16/17,副环P=16/17或8/9);工作频率高,主环达2.5GHz(P=32/33)或1.2GHz(P=16/17),副环达1.2GHz(P=16/17)或550MHz(P=8/9)。

1.1 LMX2370的结构及工件原理

LMX2370的内部结构如图1所示。它包含两路鉴相器、电流充电泵、可编程15bit参考分频器R和反馈频率分频器N。其中,N分频器由可编程前置分频器P、整数分频器B和吞除计数器A组成,N=PB+A。来自外部晶体振荡器的信号(OSCin)经R分频后,作为参考频率fr,加到鉴相器;压控振荡顺(VCO)的反馈频率fvco,经N分频后,也加到鉴相器。鉴相器对两输入信号进行相位比较我,驱动电流充电泵输出误差信号,经片外环路滤波器滤后,形成调谐电压,调整VCO频率,直至环路锁定,fvco=N·fr,此时锁定检测(LD)为高电平。

1.2 LMX2370引脚功能

LMX2370的封装形式有20脚TSSOP和24脚CSP。各引脚功能如表1所示。

表1

引脚号 引脚名称 引脚功能
1 Vcc1 主环电源电压,允许范围为2.75.5V。要求Vcc1=Vcc2。
2 Vp1 主环内置充电泵电源电压,要求Vp1≥Vcc。
3 CPO1 内环内置充电泵输出。
4 GND 主环数字地。
5 FIN1 主不前置分频器输入,来自VCO1的小信号(10~0dBm)。
6 FIN1b 主环前置分频器互补输入。
7 GND 主环模拟地。
8 OSCin 外部参考振荡器输出(2~50MHz)。
9 GND 副环数字地。
10 FOLD 多路选择器输出。
11 Clock 时钟输入。
12 Data 二进制串行数据输入。
13 LE 锁存使能输入。
14 Vpc 时钟、数据和使能输入电路的电源电压。
15 GND 副环模拟地。
16 FIN2 副环前置分频器输入,来自VCO2的小信号(10~0dBm)。
17 GND 副环数字地。
18 CPO2 副环内置充电泵输出。
19 Vp2 副环内置充电泵电源电压,要求Vp2≥Vcc。
20 Vcc2 副环电源电压。要求Vcc2=Vcc1。

1.3 LMX2370的三线串行接口及编程数据格式

LMX2370提供了符合MICROWIRE TM协议的三线串行接口线:时钟、数据、使能。在时钟上升沿,数据移入位寄存器,最高有效位(MBS)先入;在使能上升沿,移位寄存器的22位数据将锁存到串行数据最后2位(地址位)所指定的锁存器。

22位串行编程数据格式如表2所示。

表2

MSB                                                                                  LBS

数  据  区

地址区
21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
副R锁存器 LD1 LD0 CPO2

R2计数器

R14.................................................
R0

0 0
三态 电流 极性
副N锁存器 休眠 P2 B2计数器

B12................................................
B0
A2计数器
A4.................A0
0 1
主R锁存器 LD3 LD2 CPO1 R1计数器
R14..........................................................
R0
1 0
三态 电流 极性
主N锁存器 休眠 P1 B1计数器
B12.................................................
B0
A1计数器
A4.................A0
1 1

(1)Bit1和Bit0是4个锁存器(主环的N和R锁存器,副环的N和R锁存器)的地址。

(2)反馈频率分频比N=PB+A,A的分频比范围为0~31,B的分频比范围为3~8191。要求B≥A,N≥Nmin=P·(P-1)。参考分频比R的范围为2~32767,但R的选择必须使fr≤10MHz。

(3)R锁存器中,Bit19用于选择充电泵输出方式,Bit19=0为正常方式,Bit19=1为三态方式。Bit18用于选择充电泵输出电流幅度,Bit18=0选择±1mA,Bit18=1选择±4mA。Bit17用于选择鉴相器极性,VCO压控系数为负时选择Bit17=0,压控系数为正时选择Bit17=1。Bit21和Bit20(分别记为LD3,LD2、LD1、LD0)用于选择FOLD输出方式,当LD3LD2LD1LD0编程为0001时,FOLD输出主环锁定信号;编程为0100时,FOLD输出副环的锁定信号;编程为0101时,FOLD输出主环和副环锁定“与”信号;其它编码组合用于输出鉴相器输入端的频率信号。

(4)N锁存器中,Bit20用于选择前置分频比P,对主环,Bit20=0选择16/17,Bit20=1tfrc32/33;对副环,Bit20=0选择8/9,Bit20=1选择16/17。Bit21用于选择电源工作方式,Bit21=0选择正常方式,Bit21=1选择省电(体眠)方式。

2 LMX2370应用举例

这里,以某型V/UHF航空收发信机为例,说明LMX2370在该设备频率合成器中的应用。

2.1 V/UHF航空收发信机频率合成器要求

该收发信机的收发工作频率为30~399.975MHz,频率间隔为25kHz,频率稳定度为±1ppm;第一中频为900Mz,第二中频为20MHz或70Mz。一本振为930~1299.9MHz,频率间隔为100kHz;二本振为829.925~830MHz或879.925~880MHz,频率间隔为25kHz。

2.2 合成器电路设计

依据频率合成器的要求,选择LMX2370作业核心芯片,外接晶体振荡器、无源环路滤波器和VCO,构成如图2所示的电路。

2.2.1 晶体振荡器

N7选用8MHz温被晶体振荡器,其频率稳定度为±1ppm。

2.2.2 VCO

N3(VCO1)和N5(VCO2)选用HE403.HE403的电源电压为12V,工作频率范围为800~1500MHz,调谐电压范围为0~20V,输出功率≥13dBm,频偏10kHz时相位噪声为-100dBc/Hz。

2.2.3 LMX2370的编程

LMX2370的编程数据、时钟、使能信号由微控制器(87C552)提供。

设置主环R=80,副环R=320,于是主环fr1=100kHz,副环fr2=25kHz。由fvco1和fr1,可计算出主环的N=9300~12999;由fvco2和fr2,可计算出副环的N=33117~35200。前置分频比P的选择,需考虑VCO的频率范围且满足N≥Nmin=P·(P-1)的原则。依据主、副环的VCO频率和分频比N,选择主环P1=32/33,副环P2=16/17。选择CPO的极性为正(因HE403的压控系数为正),电流幅度为±4mA,三态输出方式;设置LD3LD2LD1LD0=0101,即选择FOLD输出双环综合锁定信号。

2.2.4 锁定检测电路

在环路锁定时,FOLD输出高电平,但存在很窄的负脉冲。为此,设置了由T1组成的FOLD信号处理电路。双环均锁定时,“合成器自检”输出线为稳定的低电平,该信号送微控制器,供电台自检状态使用。

2.2.5 环路滤波器

环路滤波器的设计主要是确定合理的环路带宽。本合成器的锁定时间要求不高(不超过2ms),但需尽量降低噪声。为此选择三阶无源滤波器(主环中的C15、C16、R1、R5和C17,副环中的C24、C25、R8、R9和C26),以增大对鉴相频率泄漏干扰的抑制。在主环中,VCO1输出频率1300MHz所需的调谐电压约12V,而环路滤波器的最大输出电压只有5V,为此,在环路滤波器插入了一级直流放大器(Av=3)。

已知主环参数:Kvco=50MHz/V,Kφ=4mA,fr=100kHz;选择:主环路带宽为10kHz,相位裕度为45°,R5、C17对100kHz鉴相频率泄漏干扰的附加衰减为20dB;依据锁相环的相位模型和环路滤波器元件参数计算式(详见参考文献2),得出主环环路滤波器的各元件参数如图2所示;又知副环参数:Kvco=50MHz/V,Kφ=4mA,fr=25kHz;选择副环路带宽为5kHz,相位裕度为45°,R9、C26对25kHz附加衰减为20dB,同理可计算出副环滤波器各元件参数如图2所示。

2.2.6 VCO输出级

选用DS323三路功率分配器作为VCO输出级。DS323的三路输出中同,第一路作为接收机本振信号,第二路加到发射机载波产生电路,第三路作为环路反馈信号。为了使VCO的输出功率主要供给前两路负载,在反馈输入端设置100Ω电阻(主环中的R6,副环中的R11)。

经实用测试,一本振输出功率为4.3dBm,杂散抑制-63dBc,偏离中心频率10kHz的相位噪声为-72dBc/Hz;二本振输出功率为5.1dBm,杂散抑制-66dBc,偏离中心频率10kHz的相位噪声为-75dBc/Hz。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/packing/200605/3610.html
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